1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 半主动悬架振动控制方法研究 1 选题的背 景、意 义 由于现代生活的水平的不断提高、国民经济的飞速发展，汽车逐渐融入到人们的生活工作之中，而现代汽车也正朝着智慧化、舒适度和安全化的方向发展。1 悬架系统是影响汽车性能的关键部件。车辆的智能悬架系统解决了被动悬架系统存在的稳定性和舒适性不能同时兼顾的问题，并能根据行驶状况和道路变化作出相应变化。该悬架是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。近年来，随着电子技术、测控技术和机械力学等学科的飞速发展，特别是信息科学中对最优控制、模糊 控制、自适应控制、神经网络控制等的研究，不仅在理论上取得了举世瞩目的成果，同时也开始
2、应用于汽车悬架的控制当中，使得悬架系统在现代技术下不断改善。随着汽车结构和功能的不断完善，研究汽车隔振悬架，设计新型悬架系统，将振动控制在最低水平是提高现代汽车质量的重要举措。 2 目前车辆悬架按振动的控制方法分为 3 种：被动控制、半主动控制和主动控制。由于基于经典隔振理论的被 动悬架系统的刚度、阻尼等参数是固定不变的，这样的悬架系统对路面的适应性差，不能同时保证汽车的操纵稳定性和行驶舒适性的要求。 主动悬架虽然能兼顾操作稳定性 和驾驶舒适性，获得一个优质的隔振系统，做到理想的振动控制效果，但由于其耗能大、结构复杂、成本和测量精度高而未能广泛使用。半主动悬架结合了主动悬架和被动悬架的特点，可
3、根据路面情况、车辆载荷、行驶速度等情况实时调节悬架系统的阻尼，显著降低系统的加速度和悬挂系统变形，使汽车具有良好的舒适性和操作性；同时半主动悬架系统结构简单，能量损耗小，而它的控制效果却接近主动悬架，因而是近期最有可能 走向市场推广应用的新兴技术。 2 相 关研 究的最新成果及 动态 2.1、国外发展动态： 半主动悬架的研究始于 1973年，由 D.A.Crosby和 D.C.Karnopp 首次提出。它是用一个阻尼系数在一定范围内可调节的阻尼器替代了被动悬架的阻尼器，从而实现实时调整阻尼力。 3 1975年， Maugolis 等人演示了“开 /关”控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，而
4、改进后的这种悬架于近十年在汽车工业中得到了广泛的应用。 1976 年， Hu-bbard 等人提出了通过改变弹簧刚度的半主动悬架系统。它是通过切换空气弹簧得以实现，与传统的机械弹簧相比，空气弹簧存在更多的优势，因此早在 80年代国外就已经将空气弹簧应用于汽车悬架中了。 日产公司于 1984 年研制了一种名为“声纳式”半主动悬架，它通过声纳装置预测前方路面情况，有“柔和”、“适中”、“稳定”三檔。日本丰田的 LEXUS LS400GT轿车的阻尼器就有这种选择状态。 Mannesmann 公司的 Matthias Raulf 和 Thomas Kutsche 以及 WABCO 公司 Hans-Ot
5、to Becher 研制了一种应用于重型卡车上的具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼器，通过控制比例阀的输入电流以调节阻尼力。 1996 年， Hans-jorg Feigel 和 Nino Romano 研制出一种可用于半主动悬架的单级 电液比例阀，它具有功耗低、成本低、回应快、抗污染的特点。Mercedes-Benz 公司的 Huang Zhen 等人研制的一种可调的液压减震器，它在简式减震器的两腔安装可控液压阀和蓄能器，通过电气控制和主阀配合，可以提供4中不同的减振性能。 1991 年， Mercedes-Benz 公司在赛车上采用了一套 ABC（ Active Body Control）系
6、统，通过传感器检测车身运动的相关信号，通过微处理器控制液压机构，为悬架提供可变阻尼力，并于 1999 年在 Benz CL 系列中采用 ABC 系统。英国的 Kakizaki Shinobu 等人于 1995 年研制出一种具有可调阻尼和自我诊断的液压减震器，当出现故障时，减震器系统会自动降至最小阻尼。 德国的 Forster Andreas 也于 1995 年研制了可调减震器，其特点是：减震器带有线圈和芯子的电磁控制阀，同时采用空心活塞杆以减少结构尺寸，空心杆起导磁体的作用，使得磁通量反向闭合。 半主动悬架的另一种执行机构是采用电流变和磁流变。英国的 Kawamata Satoru 等研制出了
7、可调液压减震器，并申请了专利，它的原理是：减震器的两腔用软膜片隔开，并充满电流变液。当通向减震器的电流改变 时，电流变液的粘性也随之发生变化，从而改变阻尼力。 Pinkos 和 Sturk 等人也在电流变液方面作了研究。 由于军用车的越野和高速行驶的需要，美国军方进行了半主动悬架外置液压悬架系统的性能试验，其中以 Bradley战车为试验平台。实验表明：系统在减振和提高车辆机动以及可靠性方面较被动悬架有了极大的提高。美国陆军在 M1A1坦克上也进行了半主动悬架的实验。 4 美国马里兰大学航空工程系在磁流变减震器的研究一直处于世界领先，并开发了充气补偿结构的汽车磁流变减震器。美国 Lord 公司
8、、德尔福公司、福特公司、德国 BASF公司已经相继开发出商业产品，应用于实车之中，如 2002 Cadillac Seville STS车上的磁流变减震器，其响应时间在 1ms内，比传统可调减震器还5倍以上。 5 2.2、我国的发展动态： 我国在悬架的研究起步较晚，相比于世界有一定的差距，但相关研究人员也一直努力从事减震器的研究工作，并取得了一定的成绩。 针对国外电流变和磁流变作为半主动悬架的执行机构新型研究，北京理工大学魏宸官教授也对电流变减震器做了大量的研究工作，并申请了专利。北京理工大学也成功研制出叶片式可控减震器，并已装备在车上。 重庆大学的李以农和郑玲对基于磁流变减震器的汽车半主动悬
9、架非线性控制方法进行了研究。考略到磁流变减震器阻尼力和悬架弹性元件的非线性特性，应用微分几何非线性控制，实现半主动悬架的精确线性化，仿真结果表明：这种基于磁流变减振器的汽车半主动悬架承受的冲击响应小、振动强度小，有效提高了悬架的工作性能，改善了汽车的行驶舒适性。 6 江苏理工大学 的陈龙、李德超提出了一种车辆半主动悬架系统的自适应模糊控制方法。该方法以模糊控制原理为基础，融合了自适应方法，在模糊控制器内采用“软反馈”并对自适应模糊控制规则进行修正，简化了 运算，是系统的控制不断改善，显著减少了车辆振动和干扰，提高了车辆的行驶舒适性，达到最佳控制效果。 7 华东交通大学 的张勇明、陈梦成提出了将
10、神经网络反馈控制应用在汽车变阻尼半主动悬架的控制，通过仿真表明应用神经网络反馈控制的变阻尼半主动悬架能较好的改善汽车的平顺性和操纵稳定性，证明了其有效性和可行性。 8 3 课题的研 究 内 容及 拟 采取的研究方法（技 术 路 线 ）、研究 难点 及 预期 达 到的目 标 3.1 四分之一车体两自由度半主动悬架系统的动力学模型的建立 在这里，我们选取的是汽车二自由度 1/4 悬架模型来作为研究的对象。如 图1所示。其中 r表示激励信号、 z1表示簧载质量位移、 z2表示非簧载质量位移 ;m1、m2 分别表示弹簧质量、非弹簧质量 ;k1、 k2 表示弹簧刚度 ;c 为阻尼器的阻尼系数 ; 9 模
11、型是在原被动悬架的基础上加了一个可调阻尼器 C，在理论上它所产生的力在瞬间由 0变在为无穷大，但在实际应用中，由于功耗有限，它总是被控制在一定范围内变化，并且为了节省能量，可以设计一个阀值，只有当控制参数超过这个阀值时，系统才开始工作。 3.2 半主动悬架 PID 控制器的设计 PID控制又叫 PID 调节，就是将比例、积分、微分 环节进行线性组合构成控制作用。由于其原理简单、易于整定，使用方便， PID的各类调节器广泛应用于国民各部门中。它的控制算法是： u(t)=Kp e(t)+1/Ti e (t)dt+Tdde(t)/dt 式中： u(t)为输出信号， e(t)为偏差信号， Kp 为比例
12、增益、 Ti 、 Td 分别为积分、微分时间常数。 3.3 模糊控制器的设计 对于 1/4二自由度半主动悬架模糊控制器的结构，采用双输入三输出的控制系统，即以车身与车轴之间的速度差 v 为和车身与车轴之间的加速度差 a 作为模糊控制器的输入变量，输出变量 为 Kp、 Ki、 Kd 。 模糊控制器输入变量的基本论域与路面密切相关，取路面干扰的最大值，输出变量的基本论域以汽车子啊不同路面行驶时，保持良好的悬架特性为原则。 3.4 半主动悬架模糊 PID控制器的设计 半主动悬架模糊 PID 控制主要是以误差 e 和误差变化率 de 作为模糊控制器的输入，根据 PID的三个参数与误差和误差率的模糊关系
13、设计模糊控制规则，在对 PID的参数进行修改以使得控制对象有良好的状态，且计算量小，实时性高。与单纯的 PID控制和模糊控制相比，模糊 PID 控制提高了系统的鲁棒性，增强了抗干扰能力 ，减少了相应时间。 10 4 研究工作 详细进 度和安排 2011年 1月 10日文 献综 述、外文翻 译 ； 2011年 2月 24日 开题报 告； 2011年 3月 20日建立四分之一 车 体 两 自由度半主 动悬 架系 统 的 动 力 学 模型； 2011年 4月 20日设计 半主 动悬 架 PID控制器，半主 动悬 架模糊控制器，半主 动悬 架模糊 PID控制器； 2011年 5月 10日半主 动悬 架
14、控制仿真模型； 2011年 5月 18日 毕业设计 初稿； 2011年 5月 27日 毕业设计 定稿。 5 参考 文 献 1 吴会军 . 基于磁流变阻尼器的汽车悬架半主动控制研究 J. 科技信息 机械与电子， 2007，（ 15） . 2 孙建民 ，杨清梅 ，陈玉强 .汽车悬架系统振动控制技术研究现状 J.汽车工艺与材料 . 3 张谦 . 国内外汽车可控悬架的研究动态 J. 甘肃科技纵横 工业科技，2006， 35（ 5） . 4 高石，谷中丽，王素贞 .车辆 半主 动悬 架技 术的发 展 现状 J.内蒙古石油化工， 2006，（ 6） . 5 姚嘉伶 ， 蔡伟义 ， 陈宁 .汽 车半 主 动
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